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出版者:

作者:张红霞 编

出品人:

页数:317

译者:

出版时间:2010-7

价格:28.60元

装帧:

isbn号码:9787040293975

丛书系列:

图书标签:

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现代粒子物理学导论 本书旨在为物理学本科高年级学生和研究生提供一个全面而深入的现代粒子物理学基础知识框架。 第一部分：标准模型的基石 第一章：基本概念与历史回顾 本章首先回顾了经典物理学在描述微观世界时的局限性，引出了量子力学的诞生及其在描述基本粒子行为中的核心地位。重点阐述了狭义相对论与量子力学的结合——即量子场论（QFT）的必要性。我们将介绍洛伦兹协变性、因果律以及基本粒子（费米子和玻色子）的分类。 历史脉络方面，本章将追溯从卢瑟福的原子核发现到夸克模型的建立这一关键历程，介绍早期核物理实验如何揭示了强相互作用的复杂性。随后，我们将简要概述弱相互作用和电磁相互作用的早期发现，为后续深入讨论电弱统一理论打下基础。 第二章：狄拉克方程与费米子场论 深入探讨费米子（如电子、夸克）的量子场论描述。核心内容是狄拉克方程的推导及其相对论性含义。我们将详细分析狄拉克旋量，解释其自旋1/2的物理意义，以及正、负能解的诠释——费米子的反粒子概念。 本章将构建自由狄拉克场的量子化过程，定义产生和湮灭算符，并展示如何用这些算符构造出具有特定量子数的粒子态。特别地，会详细讨论手性（Chirality）的概念，这在理解弱相互作用中至关重要。 第三章：规范场论与量子电动力学（QED） 规范对称性是描述基本相互作用的理论支柱。本章从一个数学抽象出发，通过引入局域规范不变性原理，自然地导出了光子——电磁相互作用的媒介子。 详细推导量子电动力学的拉格朗日量密度，并阐述其与费曼规则（Feynman Rules）的联系。我们将用QED框架计算简单的过程，例如电子-电子散射（Bhabha散射），引入费曼图作为描述粒子相互作用的强大工具。本章会深入探讨QED中的发散问题，并详细介绍重整化（Renormalization）的概念和技术，解释如何通过系统地吸收发散项来得到可预测的物理结果。 第四章：色动力学基础（QCD） 强相互作用的理论框架是量子色动力学。本章将介绍SU(3)规范群，以及夸克携带的“色荷”概念。我们将构造QCD的拉格朗日量，明确其与QED的关键区别——规范玻色子（胶子）自身携带色荷，这导致了强相互作用的非线性特性。 核心内容聚焦于渐近自由（Asymptotic Freedom）的发现及其物理意义，解释了为什么在高能对撞中夸克表现为自由粒子。同时，本章会详细分析色禁闭（Color Confinement）现象，解释为什么我们只能观测到无色的强子（如质子和中子）。 第二部分：标准模型的构建与验证 第五章：电弱理论的统一 本章致力于解释如何将电磁相互作用和弱相互作用统一在一个自洽的框架内，即电弱理论。我们引入SU(2)L × U(1)Y 规范群，并解释电弱规范玻色子（$W^1, W^2, W^3, B$）的混合过程。 详细描述希格斯机制（Higgs Mechanism）如何自发地破坏电弱对称性，从而赋予 $W^pm$ 和 $Z^0$ 玻色子质量，而保持光子无质量。本章将计算费米子（如电子和中微子）的质量，并展示中微子质量在原始标准模型中缺失的证据，为引出“跷跷板机制”或其它新物理铺垫。 第六章：标准模型粒子谱与检验 本章系统地梳理标准模型完整的粒子内容：三个世代的夸克和轻子，以及规范玻色子 $W^pm, Z^0, gamma, g$，和希格斯玻色子 $H$。 重点讨论标准模型的主要实验验证： 1. 中微子振荡： 尽管中微子质量不包含在初始标准模型中，但振荡现象的发现是粒子物理学最重要的突破之一，本章将简要介绍其理论基础和实验证据。 2. 夸克混合（CKM 矩阵）： 阐述夸克味变化在弱衰变中的作用，以及卡比博-小林-益川（CKM）矩阵的引入如何解释CP破坏现象。 3. 高能对撞机数据： 回顾LHC（大型强子对撞机）在发现希格斯玻色子及其性质测量中的关键贡献，包括其自旋、宇称的确定，以及与规范玻色子的耦合测量。 第七章：CP破坏、T对称性与荷宇称 深入研究标准模型中CP破坏的来源。重点分析标准模型中唯一的CP破坏项——$ heta_{QCD}$ 项，并讨论实验如何限制其大小，以及它与强荷CP问题的联系。 阐释荷宇称（C）、宇称（P）和时间反演对称性（T）在基本相互作用中的表现。讨论P和CP在弱相互作用中的明显破坏，并利用CPT定理说明为什么如果标准模型成立，中微子必须具有质量（虽然质量项本身不在标准模型拉格朗日量中）。 第三部分：超越标准模型的前沿探索 第八章：中微子物理的深入探讨 鉴于中微子质量的实验确定性，本章将专门探讨超越标准模型（BSM）的机制。我们将详细讨论“跷跷板机制”（Seesaw Mechanism）——如何通过引入极重的右手马约拉纳中微子，在不修改标准模型规范结构的前提下，自然地解释了观测到的极小中微子质量。 此外，本章还将探讨马约拉纳中微子与“双贝塔衰变”（Neutrinoless Double Beta Decay）之间的联系，以及寻找重中微子的实验努力。 第九章：超对称性（Supersymmetry, SUSY） 超对称性是解决层次问题（Hierarchy Problem）和提供暗物质候选粒子的最热门扩展理论之一。本章介绍SUSY的基本思想：将标准模型中的费米子与其对应的玻色子超伴子配对。 阐述SUSY的拉格朗日量结构，并讨论如何通过引入超对称破缺机制来解释为什么我们尚未在低能区观测到这些超伴子。重点讨论最小超对称标准模型（MSSM）中的关键参数和潜在的可观测信号，如$chi^0$（中性微子）作为暗物质的候选身份。 第十章：暗物质与暗能量的粒子论视角 本章将粒子物理学与宇宙学观测联系起来。回顾暗物质和暗能量的宇宙学证据（如CMB、星系旋转曲线）。 在粒子物理背景下，详细介绍几种主要的暗物质候选模型，包括WIMPs（弱相互作用重粒子，如MSSM中的最轻超伴子LSP）和轴子（Axions）。探讨直接探测（如XENON实验）、间接探测（如伽马射线望远镜）和对撞机产生暗物质的实验策略。 附录 附录A：群论基础回顾（SU(3), SU(2), U(1)） 附录B：常用费曼图与计算工具 附录C：$gamma$ 矩阵代数与狄拉克恒等式 本书特点： 本书严格遵循物理学原理的逻辑推导，强调从基本对称性到具体物理现象的构建过程，旨在培养读者独立分析前沿物理问题的能力，而非仅仅停留在现象的罗列。计算难度适中，适合作为深入学习高能物理的进阶教材。

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